Betonun Performans Özelliklerinin Katkı Maddeleri ile geliştirilmesi Lisansüstü Seminer Dersi 04.12.2014 138309212-Selim Yücel

İçerik Amaç Terimler Giriş ( beton ve çimento , hidratasyon mekanizması ) Çimento ve özellikleri TS EN 197-1/2 Betonda kullanılan kimyasal katkı standartları TS EN 934-1/2 Literatür Araştırması Deneysel çalışma Ön çalışmalar Kaynaklar

Amaç Bu çalışmada amaç sektörde piyasada genellikle yurt dışından hammaddesi ithal edilen çimento veya beton kimyasal katkı maddelerine alternatif malzemelere katma değer katarak çimento veya beton katkı maddesi olarak kullanarak beton performans özelliklerinin iyileştirilmesini sağlamak; ( Piyasa da ticari ürünler saf veya karıştırılmış ürünler bulunmaktadır ) Örnek vermek gerekirsek ; Melas Uçuçu kül Organo metal bileşikler (Mn) Polietilentetraftalat hamuru

Terimler[1] Agrega Bağlayıcı : Asfalt, harç , beton gibi kompozit malzemelerin matriksini oluşturan malzemeler (çimento , uçucu kül, yüksek fırın cürufu ) Çimento Hamuru “Çimento + su” karışımının oluşturduğu malzeme çimento hamuru adıyla anılmaktadır. Plastik kıvamdadır. Hidratasyon Reaksiyonu : Hidrolik bağlayıcı ile suyun arasındaki kimyasal reaksiyon Hidrolik Bağlayıcı : Su ile reaksiyon sonucu hem havada ve hem de su altında katılaştıkları ve sertleştikleri için hidrolik bağlayıcılar olarak sınıflandırılırlar.

Terimler[1] İşlenebilirlik : Taze betonun, ayrışmaya uğramadan, taşınması, dökülmesi, yerleştirilmesi, sıkıştırılması ve sonlanması Kıvam : Betonun akışkanlığını gösteren bir ölçüdür. Priz Alma :Çimento hamurunun şekil verilebilir bir durumdan katı bir duruma geçmesine “priz alma” denilmektedir. Puzolanlar : Kendi başlarına bağlayıcı özelliği bulunmayan, ancak ince öğütülmüş halde ve rutubetli ortamda Ca(OH)2 ile reaksiyona girip bağlayıcı özelliğe sahip bileşenler Rötre :Taze haldeyken içerdiği suyun ortam rutubetine bırakıldığında buharlaşma yoluyla kaybolması betonun rötre denilen büzülmesine neden olur. Segregasyon : Ayrışma S/Ç oranı:Taze betonda etkili su içeriğinin, çimento kütlesine oranı

Giriş ( Çimento ) Caementum ( Latince Yontulmuş taş kırıntısı ) [2] Portland Cimentosu = Kil + Kalker  Alçıtaşı + Öğünme  Çimento Çimento ve Beton ; Tarihçe , kısa giriş , tüketim ve bileşenler C3S –C2S-C3A-C4AF

Beton Beton çimento, su, agrega ve kimyasal ve/veya mineral katkı maddelerinin (uçucu kül , silis dumanı veya yüksek fırın cürufu vb gibi ) homojen olarak karıştırılmasından oluşan, başlangıçta plastik kıvamda olup, şekil verilebilen, zamanla katılaşıp sertleşerek dayanım kazanan bir yapı malzemesidir. Betonun kalitesi ve performansı, genellikle dayanım ve geçirimliliği ile ölçülür. Her iki özellik de karışımdaki suyun miktarına bağlı olarak değişir. Yüksek mukavemet ve düşük permeabilite geçirimlilik) için düşük su/çimento oranı gerekir. Çimento ve suyun birleştirildiği andan itibaren bu iki malzeme arasında “hidratasyon” olarak adlandırılan kimyasal reaksiyonlar başlamakta ve devam etmektedir. Beton çimento, su, agrega ve kimyasal ve/veya mineral katkı maddelerinin (uçucu kül , silis dumanı veya yüksek fırın cürufu vb gibi ) homojen olarak karıştırılmasından oluşan, başlangıçta plastik kıvamda olup, şekil verilebilen, zamanla katılaşıp sertleşerek dayanım kazanan bir yapı malzemesidir. İstatistiklere göre en az 2 milyar m3kullanıldığı tahmin edilen beton,sudan sonra en çok kullanılan malzemedir. Betonun tarihçesinde önemli kilometre taşlarından birinioluşturan gelişme 1903 yılında Almanya’da ilk hazır beton üretiminin yapılması ile yaşandı. Türkiye’de hazır beton ilk olarak 1975 – 1980 yılları arasında kullanılmak üzere üretilmeye başlanmıştır. Betonun kalitesi, genellikle dayanım ve geçirimliliği ile ölçülür. Her iki özellik de karışımdaki suyun miktarına bağlı olarak değişir. Yüksek mukavemet ve düşük permeabilite(geçirimlilik) için düşük su/çimento oranı gerekir.

Su/Çimento oranı &Geçirimlilik [5] Beton

Çimento ve Beton Reaksiyonları Betonun dayanımı, çimento ve su arasındaki reaksiyondan kazanır. Bu reaksiyon hidratasyon olarak bilinir. Oldukça iri ve ince taneciklerden oluşan çimento partikülleri su içinde yavaş olarak çözünür. Çözünme katı partikül yüzeylerinde yürür. Çözünen bileşikler hemen hidrate hale gelerek partikül yüzeyini jel halinde kaplar. Böylece henüz reaksiyona girmemiş olan klinker bileşiklerinin su ile teması önlenmiş olur. Diğer taraftan çözeltiye geçmiş olan klinker bileşikleri de çözelti içinde doygun hale gelerek çözünme hızının yavaşlamasına neden olurlar. Bu etkiler hidratasyon hızının zamanla azalmasına neden olur. Örneğin hidratasyonun 28. gününde tanecik yüzeylerinde hidratasyon penetrasyonu derinliği ancak 4µm kadardır. Bu derinlik 1 yıl sonunda 8 µm ‘ye ulaşabilir. 50 µmçapında bir klinker partikülünün tam olarak hidrate olması içim yaklaşık 5 yılın geçmesi gerekir. [6]

Hidratasyon Gelişimi

Hidratasyon

Çimento Karma Oksitleri C3S Çimento hacminin yaklaşık %55’ini oluşturur. Erken dayanıma etkisi vardır. 2(3CaO.SiO2)+6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2 3CaO.SiO2+ 3H2O 2CaO.SiO2.2H2O+Ca(OH)2

( Hidratasyon Reaksiyonları ) Elektron mikroskobu ile yapılan incelemeler C3S gibi hidratasyon hızı yüksek olan bileşikler iri taneli olsalar bile C2S gibi hidratasyon hızı düşük olan bileşiklerden daha çabuk çözünür. [6]

Kalsiyum Silikatların Reaksiyonları Dikalsiyum silikat - Belit(C2S): Çimentonun hacminin yaklaşık %20’sini oluşturur. Geç dayanıma etkisi vardır. 2(2CaO.SiO2)+4H2O 3CaO.2SiO2.3H2O+Ca(OH)2 2CaO.SiO2+2H2O 2CaO. SiO2.2H2O Değişen farklı miktarlardaki suda çözünebilen kalsiyum hidroksittir. Alüminatlar: Alümina, kalsiyum oksitle birleşerek trikalsiyum alüminat(C3A) ve demir oksitle birleşerek tetrakalsiyum aluminoferrite (C4AF) oluşturur. Alüminatlar yaklaşık olarak çimentonun %20’sini oluşturur. Hidratasyon sırasında C3A çok hızlı tepkimeye girer ve bu durum alçı ile kontrol edilir. [7]

Çimento Ana Bileşen Özellikleri [8]

Kalsiyum Silikatların Reaksiyonları

TS EN 197-1 Genel Çimentolar Genel çimentolar bileşimleri ve özellikleri ile ilgili Türk Standardıdır. Bu standard 27 farklı genel çimentonunun ve bileşenlerinin tarifini ve özelliklerini kapsar.

TS EN 197-1 Genel Çimentolar

TS 13353-Borlu Aktif Belit Çimentosu Genel özellikleri BAB Çimentosunun üretiminde kullanılan, bileşiminde belirli bir oranda bor oksit (B2O3) içeren ve çimento özelliklerini olumsuz yönde etkilemeyecek türdeki mineral. En önemli mineral kolemanit (Ca2B6O11.5H2O) olup evaporitik (buharlaşmış) çökeltilerde bulunur. Boraks çökelmesi sonucunda oluşan ikincil bir bor mineralidir ve su içeren bor zamanla sedimanlarla örtülmektedir. Su buharlaştıktan sonra geriye bor kalmakta ve bor ile boraks ve kolemanit gibi minerallerin oluşmasına yol açmaktadır. Kolemanit minerali içinde esas olarak yaklaşık % 27,0 CaO, % 42,0 B2O3 ve % 6,5 SiO2 bulunmaktadır. Uygun olduğu tespit edildiğinde kolemanit dışındaki diğer bazı bor minerallerinin de çimento üretiminde kullanılması mümkündür.

TS 13353-Borlu Aktif Belit Çimentosu Genel özellikleri Borlu Aktif Belit (BAB) çimentosu Üretimi esnasında hammadde olarak kullanılan kireçtaşının bir kısmının yerine belirli bir tenöre sahip bor oksit (B2O3) ihtiva eden bor minerali ilâve edilerek döner fırın içinde klinkerleşme reaksiyonları neticesinde hızlı soğutma ile oluşan klinkerin belirli bir oranda kalsiyum sülfat (CaSO4) ile öğütülmesi ile elde edilen bir tür Portland çimentosu.[9]

ASTM C 1157 5.2.1 Type GU—Genel Kullanım için 5.2.2 Type HE—High Early Strength 5.2.3 Type MS—Moderate Sulfate Resistance. C3A < %8 5.2.4 Type HS—High Sulfate Resistance. C3A < %5 5.2.5 Type MH—Moderate Heat of Hydration. 5.2.6 Type LH—Low Heat of Hydration C3S< %35,C2S>40 C3A<7

ASTM C 1157

Beton’da kullanılan kimyasal katkılar Kimyasal Katkılar , özellikleri ve sınıflandırılması Katkı maddeleri taze /veya sertleşmiş betonunu bazı özelliklerini değiştirmek amacıyla beton karışımı hazırlanırken veya karışım sonrası ilave edilen kimyasal maddelerdir. Bu maddeler fonksiyonlarını su emme, yüzey gerilimini değiştirme , kolloit oluşturma ,hidratasyon sırasında çimento + su reaksiyonuna katalizör etkisi yapma gibi fizikokimyasal etkiler ile yerine getirirler.[6]

Neden Kimyasal Katkılar ? Aynı dozaj ve su / çimento oranında işlenebilirliği artırmak için Aynı dozaj ve işlenebilirlikte su/çimento oranını azaltmak için Aynı su / çimento oranında aynı mukavemette çimento tasarrufu için

Örnek

Video

Katkıların Çalışma Mekanizması

Katkıların Çalışma Mekanizması

TS EN 934-2 Sınıflandırma Sınıflandırılması Su azaltıcı/akışkanlaştırıcı katkı (Belirli bir beton bileşiminde kıvamı değiştirmeden su miktarının azalmasını sağlayan veya su miktarı değişmeden çökmeyi/yayılmayı artıran veya her iki etkiyi birlikte yaratan kimyasal katkı ) Yüksek oranda su azaltıcı/süper akışkanlaştırıcı katkı (Belirli bir beton bileşiminde kıvamı değiştirmeden su miktarının yüksek oranda azalmasını sağlayan veya su miktarı değişmeden çökmeyi/yayılmayı yüksek oranda artıran veya her iki etkiyi birlikte yaratan kimyasal katkı.) Su tutucu katkı (Terlemeyi azaltarak su kaybını düşüren kimyasal katkı.) Hava sürükleyici katkı (Karıştırma sırasında taze betona kontrollü miktarda küçük, düzgün dağılmış ve sertleşme sonrasında da kalıcı hava kabarcığı sürükleyen kimyasal katkı.)

TS EN 934-2 Sınıflandırma Sınıflandırılması Priz hızlandırıcı katkı (Karışımın, plâstik halden katı hale geçmeye (prizin) başlama süresini kısaltan kimyasal katkı) Sertleşmeyi hızlandırıcı katkı (Priz süresini etkileyerek veya etkilemeksizin betonun erken dayanım kazanma hızını artıran kimyasal katkı.) Priz geciktirici katkı (Karışımın, plâstik halden katı hale geçmeye (prizin) başlama süresini uzatan kimyasal katkı.) Su geçirimsizlik katkısı (Sertleşmiş betonun kılcal su emmesini azaltan kimyasal katkı.) Priz geciktirici / su azaltıcı / akışkanlaştırıcı katkı Priz geciktirici / yüksek oranda su azaltıcı / süper akışkanlaştırıcı katkı Priz hızlandırıcı / su azaltıcı / akışkanlaştırıcı katkı

TS EN 934-2 Üreticiden istenen

TS EN 934-2 Özellikler Su azaltıcı/akışkanlaştırıcı katkı

TS EN 934-2 Üreticiden istenen Yüksek oranda su azaltıcı/süper akışkanlaştırıcı katkı

TS EN 934-2 Üreticiden istenen

Literatür Araştırması A.Zarrabi ve İ.Bilici «Pet atıkları kullanılarak kompozit malzeme üretiminin araştırılması» isimli çalışmalarında mermer tozu ve Polietilen tetrafatlat şişelerden kırpntı parçacıklar şeklinde mermer ile karıştırarak kullanmış kompozit malzeme de performans ölçümü yapmıştır. PET katı parçacık olarak değerlendirilmiş. KToneta, , , J.Gorninskib, Polymer concrete with recycled PET: The influence of the addition of industrial waste of flammability adlı çalışmalarında recyled PET ile üretilen betonlarda yangın dayanımı üzerinde çalışmışlar. J.M.L. Reis ; R. Chianelli-Junior Effect of recycled PET in the fracture mechanics of polymer mortar ; adlı çalışmalarında PET tanelerini agrega olarak kullanarak bu etkiyi araştırmışlar.

Deneysel Çalışma Numuneler ; Çimento harçlarında CEM I 42,5 R tip çimento kullanılmıştır. Çimento analizlerine ait deney sonuçları tablodaki gibidir. Bileşen / Özellik TS EN 197-1 Ölçülen Değer MgO %   2,21 SO3 % max 4,0 3,33 Cl % max 0,1 0,02 Na2O 0,44 K2O 0,98 Kızdırma Kaybı max 5,0 1,75 Çözünmeyen Kalıntı 2,63 Blaine cm2/gr 3390 Özgül Ağırlık 3,16 İncelik (40 mikron)% 12,0 İncelik (90 mikron)% 0,9 Priz Başı (dak) Min 60 156 Priz Bitişi (dak) 209 Hacim Genleşmesi (mm) Max 10 1 Basınç dayanımı 2 gün (Mpa) Min 20 26,2 Basınç dayanımı 7 gün (Mpa) 41,5 Basınç dayanımı 28 gün (Mpa) 42,5-62,5 51,8

Deneysel Çalışma Rilem ( Standard kum ) Trakya bölgesinden elde edilmiş silis içerikli standard kum

Deneysel Çalışma Cihazlar Çimento harç mikseri Priz başlangıcı ve bitişi için vicat iğnesi Sarsma tablası Flow table

Deneysel Çalışma Bağımsız parametreler Katkı maddesi ve cinsi Katkı maddesi kullanım dozajı Slump, Yayılma ( akışkanlaştırma) Su kesme ve azaltma Priz süreleri ( priz başlangıcı ve priz bitişi )

Deneysel Çalışma Bağımlı Parametreler Mukavemet Birim ağırlık SEM (Yüzey taramalı elektron mikroskobu) görüntüleri Hava ölçümü Özgül alan

Deneysel Çalışma Su kesme Priz başlangıcı , priz sonu Basınç dayanımı Melas + Uçucu Kül polimerizasyonu Su kesme %20 Kullanım dozajı %1.5 Priz başlangıcı 180 dak Numune : 240 dak Priz bitişi : 2880 dakika Basınç dayanımı 28 gün Ref : 46 MPa Numune %1.1 dozaj : 34,6 MPa Numune %1.3 dozaj : 32,2 MPa

Deneysel Çalışma Su kesme Priz başlangıcı , priz sonu Basınç dayanımı PET – polietilen tetraftalat hamuru Glikoliz  Polyol PET Su kesme %20 Kullanım dozajı %1.3 Priz başlangıcı 180 dak Numune : 240 dak Priz bitişi : 480 dakika Basınç dayanımı 28 gün Ref : 46 MPa Numune %1.5 dozaj ?? Mpa ( 28 günluk bek)

Kaynaklar [1] Türkiye Hazır Beton Birliği Çimento ve Beton Sözlüğü ; 2008 [2] Camentum Vikipedia Latince- Türkçe sözlük [3] Concrete Microstructure , Properties and Materials Mehta , Monterio ;Third Edition 2006 [4] Paoulo Monteiro, Concrete Lecture , American Concrete Instute [5] İMO İstanbul İnşaat Müh Odası Teknik Bülten Sayı 55. Prof Dr Erbil Öztekin İncelemesi ;2010 [6] Çimento ve Beton Prof Dr. H.Yalçın , Prof.Dr. M.Gürü Palme Yayıncılık ;2006 [7] Her yönüyle beton kitabı 2005 TÇMB , THBB Yayınları [8] Akçansa Satış Destek Departmanı Teknik Bülten No :2, 2005 [9] Türk Standartları Enstitüsü ; Mart 2008 , TS 13353